Você sabe como prevenir flutuações de tensão?

Um dos tipos mais comuns de problemas de fornecimento de energia é a flutuação da tensão de saída. Esse problema é causado por vários fatores, incluindo variações da tensão de entrada, mudanças imprevistas na corrente de carga, falhas no loop de controle de feedback, problemas de frequência de comutação, tolerâncias de componentes, variações de temperatura e envelhecimento dos componentes. 

Este artigo explorará brevemente as causas da flutuação da tensão de saída e fornecerá insights sobre como resolver e prevenir esses problemas.

Variações da Tensão de Entrada

A tensão de entrada para a fonte de alimentação (ou o chip regulador) pode flutuar e exceder os limites máximos/mínimos absolutos do chip regulador. O chip regulador/controlador não é capaz de lidar com essas variações e, dependendo da frequência das variações, a tensão de saída pode cair, aumentar ou demonstrar uma quantidade significativa de ripple. 

Por exemplo, por favor, veja o diagrama de aplicação do famoso chip regulador LM2576-5.0 [1] da Texas Instruments (Figura 1). Está claramente indicado que a variação da tensão de entrada pode ser de algum lugar entre 7-40V (60V para a versão HV). Outro exemplo é o chip LNK30X, da Power Integrations (Figura 2) [2]. Aqui, é mencionado que a tensão de entrada AC não deve subir acima de 265VAC, e não cair abaixo de 85VAC. Caso contrário, a tensão de saída pode flutuar, especialmente sob alguma carga.

Deve ser notado que uma fonte de alimentação pode não ser capaz de lidar com variações súbitas e significativas de tensão na entrada, mesmo que as variações estejam dentro do intervalo mínimo/máximo. Isso também pode causar a flutuação da tensão de saída.

Figura 1

Diagrama de aplicação do chip conversor buck LM2576-5.0

Figura 2

LinkSwitch-TN Entrada Universal, saída de 12V-120mA

Mudanças de Carga

A fonte de alimentação pode não ser capaz de lidar com mudanças súbitas na corrente de carga, o que leva a flutuação da tensão de saída. Por exemplo, se a entrega de corrente de uma fonte de alimentação é classificada em no máximo 3A, e a carga de repente consome 4A, se isso acontecer periodicamente, então isso levará a tensão de saída a cair e flutuar.

Além disso, mesmo que a corrente da carga varie apenas dentro de um intervalo limitado, a fonte de alimentação deve ser ajustada e testada contra a “resposta de passo de carga”, usando uma carga DC. Simplificando, uma carga DC aplica pulsos de carga periodicamente (por exemplo: nível de corrente baixo: 1A, nível de corrente alto: 3A) à saída da fonte enquanto a tensão de saída é monitorada para qualquer oscilação. Este é um teste essencial para as aplicações onde a corrente de carga pode ser significativamente e frequentemente alterada, como um carro onde o motorista pode ligar/desligar os faróis, elementos de aquecimento, ... etc. com bastante frequência. A Figura 3 mostra uma fonte de alimentação não ajustada [3]. A Figura 4 mostra uma fonte de alimentação modificada/ajustada [3] que passa no teste de resposta de passo de carga.

Figura 3

Fonte de alimentação não sintonizada (Rosa: Pulso de Corrente, Amarelo: Tensão de Saída, Laranja: Tensão de Saída (Média de 4P)

Figura 4

Fonte de alimentação sintonizada (Rosa: Pulso de Corrente, Amarelo: Tensão de Saída, Laranja: Tensão de Saída (Média de 4P)

Laço de Controle de Feedback

Esta é a razão mais provável por trás de todas as flutuações da tensão de saída! Portanto, você deve verificar isso primeiro antes de procurar outros possíveis problemas de flutuação da tensão de saída. Um laço de controle de feedback é simplesmente um caminho de circuito para o controlador/regulador sentir a saída e estabilizar a tensão. Qualquer mau funcionamento no circuito de feedback levará, no mínimo, a flutuações da tensão de saída. 

O caminho de feedback é fácil de identificar nos circuitos reguladores de tensão linear e buck/boost. Para os conversores flyback, os componentes mínimos do laço de controle de feedback são o optoacoplador e o diodo Zener (ou um regulador shunt) (figura 5). O diodo retificador de saída e os capacitores de filtragem também desempenham um papel significativo na estabilização do laço de controle, o que será discutido em “envelhecimento dos componentes”.

Figura 5

Um circuito típico de um conversor flyback

Frequência de Comutação

Se você projeta/repara uma fonte de alimentação e a tensão de saída está instável, então uma razão provável pode ser uma frequência de comutação incorreta. A frequência de comutação desempenha um papel muito significativo nos cálculos e nos valores dos componentes. Um desvio significativo da frequência calculada ou qualquer instabilidade pode fazer com que a tensão de saída flutue.

Tolerância dos Componentes

As fontes de alimentação são compostas por vários componentes discretos, e suas tolerâncias devem permanecer dentro de uma faixa aceitável, por exemplo, uma tolerância de 5%. Se esses componentes demonstrarem uma tolerância maior ou se você usar componentes de baixa qualidade, isso pode causar flutuações na tensão de saída ou degradação na eficiência. Portanto, se você projeta sua fonte de alimentação, deve ficar o mais próximo possível dos seus valores calculados. Em caso de tentativa de reparo, substitua o componente defeituoso por um idêntico (valor, tamanho, tolerância).

Variações de Temperatura

Naturalmente, as fontes de alimentação geram calor, portanto, esse calor deve ser dissipado adequadamente usando dissipadores de calor e ventiladores. Caso contrário, o calor excessivo impõe estresse térmico aos componentes e reduz sua vida útil, o que facilmente causa flutuações na tensão de saída. Além disso, se a temperatura ambiente do ambiente de aplicação for alta ou se não houver ventilação adequada, isso também pode levar a flutuações de tensão porque os componentes não conseguem esfriar adequadamente. 

Componentes Envelhecendo

Com o tempo, o desempenho dos componentes - especialmente capacitores eletrolíticos - pode diminuir, levando a falhas. Na maioria das vezes, é óbvio quando um capacitor eletrolítico muda sua forma ou parece inchado, mas às vezes eles secam sem nenhum sinal visual. Capacitores de saída inchados ou secos são uma das razões mais comuns para a flutuação da tensão de saída porque capacitores falhos afetam o desempenho do loop de controle de feedback e aumentam o ruído/ondulação de saída. 

Além disso, o capacitor de entrada principal (após o retificador em ponte) ou capacitores de desacoplamento do chip controlador podem falhar e afetar a tensão de saída. Como regra geral, qualquer capacitor que tenha perdido mais de 20% do seu valor de capacitância original deve ser substituído. Portanto, um medidor LCR é uma ferramenta indispensável para qualquer tentativa de design ou reparo de fonte de alimentação. 

Este vídeo explica três maneiras de testar uma falha em capacitor eletrolítico [4], sem medir o ESR. Se procurar e reparar capacitores eletrolíticos individuais for muito demorado, então substituir todos os capacitores eletrolíticos pode ser uma decisão sábia! A Figura 6 mostra um capacitor inchado.

Figura 6

Um capacitor eletrolítico inchado
 

Referências

[1]: LM2576: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2576hv.pdf
[2]: LNK30X: https://www.powerint.cn/products/linkswitch/linkswitch-tn/lnk304dg
[3]: Resposta de Carga com uma Carga Eletrônica DC da SIGLENT: https://www.siglenteu.com/application-note/power-supply-design-load-step/
[4]: Como Detectar Facilmente um Capacitor Danificado: https://www.youtube.com/watch?v=XKv4OMSz7jU